基于离散型智能制造模式的汽车零部件装配过程管控平台设计

张弦弦; 张瀚铭; 曲葭; 冷涛

【期刊名称】《《机电产品开发与创新》》 【年(卷),期】2019(032)006 【总页数】4页(P40-43)

【关键词】离散型智能制造模式; 汽车零部件装配过程管控; 设备联网; 生产线数字化建模; 数据采集; 执行过程管理 【作 者】张弦弦; 张瀚铭; 曲葭; 冷涛

【作者单位】中国兵器装备集团自动化研究所智能制造中心 四川绵阳621000 【正文语种】中 文 【中图分类】U466 0 引言

近年来，国内汽车零部件行业的发展突飞猛进，无论在技术研发、营销模式等方面都取得了令人瞩目的成绩。但是，仍存在许多不足之处，如生产过程信息化程度低，生产现场数据采用传统人工方式收集，数据交互、共享方面存在滞后、准确性难以保证、统计费时费力；生产现场对管理者来说基本上是一个“黑箱子”，管理者需通过逐层汇总、上报的报表或电话、会议等形式了解生产信息，导致高效均衡生产、减少物料的在线等待时间、缩短产品制造周期等就失去了基础， 成为产品生产实现精益管理的瓶颈。

在智能制造时代，汽车零部件行业需要在生产方式、管理模式等方面进行变革。 随着物联网技术的发展，生产基础资源（设备、人员、物料）高度互联，企业生产线逐步实现自动化、智能化改造，现场工人被机器人代替，产品生产方式向柔性化靠拢， 生产过程管理模式也由制造执行系统（MES）代替，或向制造运营管理系统（MOM）扩展[1]。 1 离散型智能制造模式

离散型智能制造模式需具有以下要素：

第一，建立工厂布局（企业-工厂-车间-产线-工位）、产品工艺（产品-工艺-工序-工步）的数字化模型，作为生产数据可视化和生产工艺优化的基础。 第二，建立产品数据管理系统（PDM）实现产品设计、工艺仿真与优化。 第三，生产线数控化率超过70%，并实现数控机床、智能传感与控制装备、 智能检测装备等关键设备的信息互联互通。

第三，建立装配过程数据采集和管理系统，实现“人、机、料、法、环”等现场数据的自动采集、处理、存储、分析。

第四，建立车间制造执行系统（MES），实现装配过程（包括计划、调度、生产、质量、设备、物料、安全等）的管理。

第五，建立企业资源计划系统（ERP），实现采购、销售、成本等经营管理功能。 第六，通过企业内部网络架构，打通MES、PDM、ERP的数据流，实现汽车零部件设计、工艺、制造、管理、物流等产品全生命周期的数据集成。 第七，建立信息安全防护体系，确保生产信息的安全保障。 2 系统设计

本文所述的汽车零部件装配过程管控平台适用于企业生产执行层， 采用先进的信息通信技术与汽车零部件装配过程融合，在企业内部网络平台的基础上，进行关键设备联网，实现生产线的自动化、数控化；建立生产线数字化模型；搭建数据采集

系统（MDC）、数据中心、制造执行系统（MES）；并实现与上游（生产计划层）系统如企业资源计划系统（ERP）、产品数据管理系统（PDM）的信息集成； 在生产管理方面也形成一套信息安全防范体系和系统建设运行的标准规范。 平台满足上述离散型智能制造模式的定义，并成功实施在某汽车零部件生产企业，实现了企业汽车零部件装配过程的精益生产[2，3]。

平台的设计思路分为五层，如图1 所示。物理层通过工业以太网实现生产线设备的互联互通； 虚拟层创建系统（工厂布局、产品工艺等）的数字化模型；数据层实现生产现场数据的采集与分级存储； 管控层实现装配过程的数字化管控；集成层打通与上游系统的数据通道[4]。

图1 平台设计思路Fig.1 Platform design ideas 2.1 设备联网（物理层）

汽车零部件装配过程管控平台采用工业以太网实现装配现场设备设施以及平台所需的如服务器、展示大屏、电脑终端、手持终端等硬件设备的互联互通，其网络拓扑如图2 所示。 对于不是以太网接口的设备，需要采用接口转换设备实现接口的转换和协议的转换。针对不具备通信接口的设备，增加相应的传感器，将传感器接入数据采集器完成数据采集，数据采集器通过网口接入工业以太网。 图2 平台网络拓扑Fig.2 Platform network topology 2.2 生产线数字化建模（虚拟层）

生产数字化建模是平台运行的基础， 是生产线生产组织的抽象形式， 它结合了产品的工艺规划、 设计与管理，实现工艺管理与生产线模型的匹配与同步。根据车间生产流程和生产特点， 从车间整线生产特点进行分析和高度抽象， 建立符合实际生产特点和满足生产工艺约束的车间管理模型；基于网络拓扑结构、软件层次架构和系统数据库逻辑结构，建立可配置的包括人员、组织结构、产线工位、车间日历、操作规程、工艺规范、生产要求等基础资源的数字化管理模型及级联关系，形

成结构化信息，存储到数据库中。 数字化工厂模型主要包括生产环境模型、产品工艺模型以及生产管理模型，如图3 所示。

设计的数字化模型（以工厂模型为例）在数据库中的存储形式如图4 所示。 图3 生产线数字化模型Fig.3 Digital production line model 图4 工厂模型数据结构Fig.4 Plant model data structure 2.3 数据采集与存储（数据层） 2.3.1 数据采集系统

（1）MDC 架构设计。 在生产线/装配线上设备互联互通的基础上，通过构建MDC，实现生产现场数据的实时采集、共享、处理。MDC 向下与各生产设备进行对接，实现平台与设备间的数据往来与通信；向上以数据中心的方式实现与MES 等业务系统对接，为其提供底层数据基础，见图5。 图5 MDC 架构Fig.5 MDC architecture

MDC 针对每个设备开辟一个数据采集线程，通过IP对其进行识别。 对于含控制器的自动设备，可通过网口、串口采用TCP/IP、RS-232/485 的形式进行数据自动采集； 对于质检设备等自身含数据存储的设备， 采用TCP/IP、OPC 等形式进行数据集成； 对于用于条码扫描的手持终端等设备，通过WALN 进行采集；对于传感器，可通过RS-232/485 接口进行数据采集。现场数据采集系统实现设备统一组网管理，为制造执行系统提供统一的数据来源。

（2）MDC 硬件设计。MDC 以计算机为中心，配置数据采集设备构成，硬件部分负责数采接口的转换，信号的传输、放大等[5]，如图6 所示。

（3）MDC 软件设计。 负责信号的采集、 处理和存储。采用多线程技术实现数据采集。 主线程实现采集数据的动态展示，采集线程负责数据的高速采集，保存线程实现数据的保存及内存的清理等工作。

图6 MDC 硬件设计Fig.6 MDC hardware design

其软件架构总体分为驱动程序层、 数据存储层和应用程序层三层，如图7 所示。驱动程序层封装硬件底层操作。 数据存储层包括数据库和数据文件， 实现数据的分类、分级存储。应用程序层一方面通过调用驱动程序层提供的接口函数管理硬件、采集数据、协调管理系统以及实现用户信息交互；一方面与数据存储层打交道，从数据存储层读取参数和数据， 并将处理后的数据写入到数据存储层[6]。 图7 MDC 软件设计Fig.7 MDC software design 2.3.2 数据中心

MDC 采集到的数据存放到数据中心。 数据中心建立两级数据库：实时数据库和业务数据库。针对装配过程中设备运行数据、在线检验数据等实时性要求高、数据量大的数据，存放在实时数据库中；针对生产进度数据、物料信息等强调完整性的数据，存放到业务数据库中。并建立两级数据库的关联关系，通过对实时数据的融合、抽取、处理、装载等操作，实现两级数据库的数据转换、共享。以供平台从两类数据中抽取数据， 进行数据查询、 对比分析、历史数据追溯、可视化显示等公共操作。

2.4 执行过程管控（管控层）

平台管控层以MES 为主。MES 以排产计划、物料、工艺路线为依据，基于生产现场数据数字化采集、生产线数字化建模等， 实现生产执行过程的全面数字化管理与控制，以达到汽车零部件装配过程透明化和可视化、生产管理精细化的目的[7]。 根据企业实际的生产场景及管理需求，生产线上的设备以手持终端为主， 车间监控室采用展示大屏，生产管理办公室为电脑终端。因此MES 从展示形式上分为PDA 端、展示屏端和WEB 端。 PDA 端部署在手持终端，用于工人、库管员、设备管理员移动操作；展示屏端部署在大屏上，用于车间管理人员进行生产监控；WEB 端针对整个企业的生产管理层部署在计算机上， 用于生产决策者制定生产计划、进行生产管理等，如图8 所示。

图8 MES 展示形式Fig.8 MES presentation

MES 在功能上根据生产业务及MOM 体系要求主要划分为生产运行管理、库存运行管理、质量运行管理、维护运行管理等模块，分别对“人、机、料、法、环”五大生产要素进行管理。 实现产品从生产计划智能排产、 任务派工、齐套性检查、叫料、开工、扫描上料、生产记录、完工报工、质量检验等整个生产执行过程的数据获取，跟踪作业计划、加工记录、检验记录、入库记录等详细信息，管控生产线上物料、设备、产品质量等关键生产节点，实现从物料上线、半成品中转、产品下线出库整个生产过程的全流程透明跟踪与管理。 2.5 系统集成（集成层）

通过ESB 企业服务总线实现MES 与PDM、ERP 等上游系统的集成， 通过标准接口的方式消除不同应用之间的技术差异，让不同的应用服务器协调运作，实现不同服务之间的通信与整合。

ESB 提供消息适配机制，以适应各种技术（Web Services，EJB，Socket 等）的接口。平台采用Web Services 的方式开放业务接口，部署在ESB 上，同时，也通过Web Services 方式从ESB 上获取服务，如图9 所示。 图9 系统集成示意Fig.9 System integration diagram

对于产品BOM 结构、生产订单信息、物料主数据等需要从ERP 获得的信息由MES 提供服务，ERP 系统通过ESB 主动发起推送给MES 系统，MES 系统接收到数据后进行处理、验证，并将数据处理结果回写ERP 系统。 ERP系统对处理的数据进行标识，如果MES 处理失败，需要ERP 系统再次推送。 3 结束语

基于离散型智能制造模式的汽车零部件装配过程管控平台，从业务和数据两个维度进行了生产管控，实现了装配过程管控业务流程的数字化贯通。平台的实施，改变了目前人工为主的管控模式，使离散制造过程透明化、数字化，管控决策智能化；

也提升了企业各部门管理活动的协同化、扁平化。

平台具有很好的延展性， 可扩展到不同的行业及领域，能为离散制造企业提供技术与装备支撑，牵引和推动离散制造行业数字化、智能化建设，对促进我国制造业优质快速发展具有长远战略意义。

【相关文献】

[1] 刘珺.制造执行系统（MES）的现状与发展[J].有色金属加工.2009，4. [2] 邓洪波， 刘鹏. 模块化汽车装配线的应用[J]. 山东工业技术，2016，10. [3] 马建全，李智.互联网汽车发展及关键技术分析[J].汽车与配件，2017，8.

[4] 刘治红，吴宏超，张晨昊.一种离散制造行业分布式智能控制系统解决方案[J] .兵工自动化，2016，1.

[5] 吴宏超，刘冶红，吴跃.面向军工装备制造企业的生产现场数据采集与智能监控系统[J].兵工自动化，2017，1.

[6] 周本华，吴旭光，等.现场数据采集技术及在智能制造系统中的应用[J].制造技术与机床，2016，6.

[7] 胡春，李平，宋执环.制造执行系统体系结构中功能模型的研究[J].信息与控制，2002，6. [8] 冯赞，汪伟，陈迎春.新能源汽车实时监控与数据采集系统开发[J].客车技术与研究，2017，1.